Introducción y objetivos

Las tecnologías del hidrógeno desempeñarán un papel fundamental en la transición hacia una economía descarbonizada. Sin embargo, la densidad energética volumétrica del hidrógeno es extremadamente baja, lo que complica su almacenamiento y transporte. En cuanto al transporte de hidrógeno a gran escala y largas distancias, un equipo de investigadores de la universidad japonesa Yokohama National University trabajan en el desarrollo del sistema tolueno/metilciclohexano (MCH), que se perfila como uno de los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (LOHCs) más prometedores, debido a su baja toxicidad, una capacidad de almacenamiento de hidrógeno aceptable y sus características similares a la gasolina, que permitirían aprovechar la infraestructura petrolera existente.

Entre las distintas técnicas y métodos que este grupo está empleando, destaca el la modelización y simulación numérica con COMSOL Multiphysics^®.

Modelización y simulación numérica

Los investigadores de YNU trabajan actualmente en el desarrollo de un modelo bidimensional de una celda individual de electrólisis directa para la electro-hidrogenación de tolueno en COMSOL Multiphysics^®.

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de dicho electrolizador, que está basado en la tecnología de membrana de intercambio protónico [1]. En comparación con la técnica convencional de hidrogenación de tolueno en dos etapas (es decir, producción de hidrógeno mediante electrólisis y posterior hidrogenación exotérmica del tolueno), este método innovador de una sola etapa ofrece ventajas en términos eficiencia energética [2]. No obstante, en la práctica, el suministro adecuado de tolueno al sitio de reacción del cátodo (es decir, la capa catalítica) es crucial para alcanzar una buena proporción de hidrogenación.

El modelo que desarrollan en COMSOL Multiphysics^® acopla los distintos mecanismos y ecuaciones que describen el comportamiento del sistema: ecuaciones de continuidad para las fases acuosa y oleosa, la ecuación de convección-difusión para determinar la concentración de tolueno y MCH en el lado del cátodo (tanto en la capa del electrocatalizador como en el electrodo poroso), el transporte de agua a través de la membrana polimérica electrolítica, y las ecuaciones de conservación de la corriente eléctrica. Los resultados de la simulación numérica permiten estimar la concentración de especies en el lado del cátodo (es decir, acumulación de fase oleosa y agua líquida), la absorción de agua en la membrana y la distribución de la densidad de corriente en el electrodo del cátodo.

Figura 1. Diagrama del un electrolizador para la electro-hidrogenación directa de tolueno.

Resultados/conclusiones

Los autores mostraron algunos resultados preliminares obtenidos en la última edición de la Iberian COMSOL Multiphysics Conference [2]. La Figura 2 muestra la concentración de tolueno y MCH obtenida en el lado del cátodo desde la entrada (parte inferior) hasta la salida (parte superior) cuando la celda opera bajo una densidad de corriente de 0.5 A/cm². Mientras que la concentración de tolueno disminuye a medida que el flujo se aproxima a la salida, la concentración de MCH aumenta. De hecho, la concentración de MCH es máxima en la salida del cátodo. Por otro lado, la concentración de tolueno es mayor en las regiones más cercanas a la placa de distribución de flujo del cátodo, mientras que la mayor concentración de MCH se encontró cerca del electrocatalizador.

Figura 2. (a) Geometría bidimensional del modelo de celda de electro-hidrogenación directa de tolueno. Concentración de la fase oleosa en el lado del cátodo bajo una densidad de corriente de 0.5 A/cm²: (b) tolueno y (c) MCH.

En combinación con los datos experimentales, las simulaciones numéricas en COMSOL Multiphysics^® de una celda de electrólisis para la electro-hidrogenación directa de tolueno proporcionan información útil para comprender su rendimiento y planificar estrategias que optimicen el diseño de esta tecnología. Destaca, por tanto, el gran potencial que ofrece COMSOL Multiphysics^® para desarrollar las futuras tecnologías que permitan el almacenamiento y transporte de hidrógeno renovable a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Referencias

[1] A. Atienza-Márquez, S. Oi, T. Araki, S. Mitsushima. Water transport across the membrane of a direct toluene electro-hydrogenation electrolyzer: Experiments and modelling. Energy (2024), 304, 132186. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132186
[2] A. Atienza-Márquez, T. Araki, S. Mitsushima. Modelling and numerical simulation of a toluene direct electro-hydrogenation electrolyzer cell. Iberian COMSOL Multiphysics Conference (2024) Málaga.